航空电连接器镀镍层失效分析及可靠性优化

王 震，李 浩，张高鸿，刘 伟，刘贝贝，徐于刚，陈 凯

（河南航天液压气动技术有限公司，河南 郑州 451191）

电连接器是一种基础性元件，主要用于元器件与系统之间电信号及控制信号传输[1]，承担电流或信号连接作用，广泛应用于航天、航空、船舶、兵器等领域。这些特性使电连接器可靠性及环境适应性成为影响系统性能的关键因素[2]。相关数据显示，电气控制系统中的故障现象，70%是由元器件失效造成，这其中有40%由电连接器失效直接或间接导致[3]。

电连接器主要应用于4类环境，即大气、水（包括海水）、机械和太空环境[4]，均要求电连接器具备良好的耐腐蚀性能。因此，电连接器表层常进行涂覆防护，提高耐盐雾性能，保证耐腐蚀性能，保障产品生命周期。

航空电连接器金属基体常选用铝合金，表层化学镀镍提高其硬度、耐磨性及耐腐蚀性能，其主要失效形式为振动冲击、温湿度变化、盐雾等环境因素导致的磨损或腐蚀。本文通过对某型号航空发动机软管配套电连接器镀镍层腐蚀失效现象进行宏观及微观样貌检查及故障件成分理化分析，定位了故障产生原因，完成了故障机理分析。根据故障产生原因及故障机理分析结果，针对电连接器镀镍层，以提高其耐腐蚀性能，提升产品使用寿命及可靠性为目标，提出了电连接器镀镍层可靠性优化措施。

1 失效分析案例

1.1 研究对象

研究对象为航空某型号发动机软管配套电连接器。电连接器一端与分支电缆装配，另一端连接导线实现线束屏蔽及保护功能。

电连接器由尾部螺帽、绝缘体及接触体等尾部附件构成，采用卡扣式快速连接形式、内外五键导向结构。尾帽金属基体为耐腐蚀镁铝合金，表面直纹滚花便于螺纹旋合。因服役环境复杂，直纹滚花后表面镀镍以提高其硬度、耐磨性及耐腐蚀性能。

1.2 镀层失效现象

一种航空发动机配套电连接器尾帽镀镍表层出现镀层龟裂、剥落缺陷，位于直纹滚花侧壁或沟壑底部，呈现不规则斑点分布样貌。

1.3 研究方法

拆卸镀层失效电连接器，拆卸过程未破坏其原有状态，未接触酸、碱、盐等腐蚀性物质。拆卸后将电连接器真空包装，保证贮存、转运过程中干燥密封。通过分析滚花加工、镀镍表处等工艺验证，借助扫描电镜观察缺陷微观结构，并通过能谱仪对缺陷表面材料成分进行分析，对镀层失效过程进行研究。

2 镀层失效状态检查

2.1 宏观形貌检查

用电连接器在自然光下进行目视检查，镀层剥落形貌如图1所示。用视频放大镜观察电连接器，镀层剥落区域存在凹坑、氧化腐蚀缺陷，如图2所示。

图1 目视检查镀层剥落形貌

图2 视频放大镜下镀层剥落形貌

2.2 微观形貌检查及成分鉴定

使用扫描电子显微镜扫描故障件镀层表面，试样镀层剥落区域，剥落后Al基体上存在腐蚀产物，腐蚀产物主要元素除C、O外，其主要成分为Cl和Na。

试样表面镀层剥落区域SEM微观形貌如图3所示，表面可清晰观察到直纹滚花加工痕迹，表面洁净。取SEM微观形貌图示点位进行能谱扫描，扫描区域如图4所示，EDS分析谱图如图5所示，分析结果如表1所示。

图3 镀层剥落区域SEM微观形貌（30倍放大）

图4 能谱扫描区域（300倍放大）

图5 EDS分析谱图

表1 EDS分析结果

3 镀层失效分析

用视频放大镜观察电连接器，故障件尾帽斑点处存在凹坑、缺块现象，故障件其他位置，直纹侧壁或沟壑底部存在局部夹屑。在视频放大镜下观察未拆封样品，表面光洁，直纹滚花侧壁及沟壑内清洁，无局部腐蚀、斑点等缺陷。

3.1 滚花加工分析

轴类零件滚花加工较为普遍，直径较小的细长轴零件滚花加工时过大的径向力易导致零件弯曲，严重时可断裂，特别是强度较低的有色金属，如铝、铜等[5]。

电连接器尾帽表面直纹滚花加工。普通车床加工，一端采用硬爪装夹，另一端钻顶尖孔装夹，直纹滚花刀杆装夹直纹滚花刀，径向定位至管坯表面，车床主轴转动时滚花刀轴向进给，完成直纹滚花挤压成型加工工序。

复查尾帽加工过程。表面直纹滚花加工时，管坯刚性较差且内部中空，故管坯中间部位滚花加工时受径向挤压力，塑性变形，导致直纹滚花压型较浅，需手工增加滚花刀径向进给量完成滚花加工。实际操作时若工人未及时调整滚花刀径向进给量，易导致滚花沟壑底部凹凸不平。滚压成型后因压型不良，操作工人需调整滚花刀与管坯沟壑底部吻合后二次加工。因直纹滚花为成型刀具挤压金属基体成型，二次加工易使成型中出现夹屑、破损等缺陷。

3.2 镀镍表处分析

铝材表面化学镀镍，机理为自催化，将溶液中Ni离子沉积为Ni镀层，待镀工件表面需保持洁净及良好的粗糙度。材料表面存在杂质或缺陷等，均会造成表面无法形成活性覆盖层，导致镀镍层不合格[6]。

尾帽镀镍工艺流程为：除油—抛光—微蚀—一次浸锌—退锌—二次浸锌—碱性预镀镍—镀化学镍—钝化。碱性预镀镍打底前对铝材金属基体表处进行处理，打底后对外表面进行化学镀镍（厚度不低于25μm）并进行钝化处理。

选取故障件4个点位采取金相检测法确定镀层厚度，点位1、2远离镀层剥落区域，点位3、4靠近镀镍层脱落区域。测定数据结果为：点位1、2镀层厚度分别为23.34 mm、20.48 mm，点位3、4镀层厚度分别为17.92 mm、8.95 mm。数据显示，故障件镀镍层厚度不合格，且镀层厚度不均匀，靠近镀层剥落区域镀层相对较薄。选择故障件采用挤压法进行镀层结合力测试，使用虎钳夹紧、挤扁待检零件，挤压后金属基体和镀层未发生龟裂、起皮或剥落缺陷，镀层结合力测试合格。

镍标准电极电位为-0.25 V，化学镍镀层相对铝合金属于阴极性镀层，不具备电化学保护功能，因而其镀层覆盖的完整度对壳体的防护性能至关重要。

生产实践中，化学镀镍易产生大量气泡，粘附于尖锐棱边或滚花侧壁、沟壑粗糙部位，使涂覆镀层孔隙率较高[7]，局部区域镀镍层较薄且厚度不均匀。在孔隙率高且局部区域镀层厚度较薄时，镀镍层耐腐蚀性能下降。吸附于镀层的表面湿气、盐分透过孔隙导通镀镍层与金属基体，发生电化学腐蚀，腐蚀产物膨胀、脱落，金属基体暴露。

3.3 能谱扫描分析

依据图3—图5故障件镀层剥落区域扫描电镜及能谱分析数据，镀层龟裂区域腐蚀产物膜主要元素为O、Al、Cl、K、Na，其中Al、K为电镀槽液成分，O、Na、Cl为空气、镀镍表处残留溶液及装配手汗成分。能谱分析数据显示，镀镍涂覆表层未引入污染物，故尾帽镀层龟裂、脱落，判断为二次滚压加工牙型导致滚花槽侧壁与沟壑夹杂，受损产生碎屑，潮湿环境下镀镍表层空隙接触水汽，且镀镍表处残留溶液及装配手汗成分，电化学腐蚀导致镀层龟裂，腐蚀产物脱落。

4 可靠性优化措施

针对电连接器镀镍层失效案例，以提高电连接器耐腐蚀性能，提高总装产品可靠性为宗旨，分别从机械加工、镀镍表处、包装防护等环节提出优化措施。

4.1 完善对滚花加工过程的管控

完善《铝合金零件滚花加工操作及检验规范》，量化主轴转速、进给量等工艺参数，明确禁止铝合金零件二次滚压成型。滚花成型后用放大镜观察滚花槽侧壁及底部，确认无夹杂、受损等缺陷。机加后选取无水乙醇清洗，并用洁净压缩空气吹干。表面涂煤油防锈，装入自封袋及时周转至镀镍表处。

4.2 优化镀镍表处工艺规范

碱性预镀镍打底前，增加碱浸蚀工序，去除表面污物及滚花夹杂物、碎屑等多余物，使用中性水基环保清洗剂渗透溶解表面油污等，完成后使用5倍放大镜观察滚花槽沟壑侧壁及底部，无夹杂物、碎屑等多余物。

严格控制预镀镍时间，研究表明，预镀镍时间控制在5 min左右时，镀镍层耐腐蚀性能最为优良，主要为预镀镍5 min时表面再生长的化学镀镍层结构致密，孔隙率减小[8]。

镀镍表处完成后，表处零件100%非破坏型式测定镀层厚度。每批零件镀镍表处后抽取一定比例进行48 h中性盐雾试验，确认其耐腐蚀性能良好。

4.3 加强包装防护

组件装配操作工人戴指套或手套操作，避免直接接触镀镍层。电连接器使用无水乙醇清洗表面污物、杂质等，置于干燥箱内烘干处理。贮存过程中采用真空包装，减弱环境温度及湿度对镀层耐腐蚀性能的影响。

5 结论

针对电连接器镀镍层失效故障，基于理化检验及镀层失效区域分析，完成了故障机理分析，明确了故障产生原因，具体如下：①电连接器尾帽滚花侧壁及沟壑底部存在龟裂、剥落缺陷，原因是直纹滚花返工导致滚花夹杂、受损产生碎屑；②镀镍表处除油—抛光过程中未彻底清除夹屑，该区域镀层覆盖不完整，涂覆后基体内孔隙率较高，膜层厚度较薄，耐腐蚀性能降低；③阴极化镀镍层在潮湿贮存环境中，水汽渗入孔隙内部，产生电化学腐蚀，基体优先腐蚀，表处溶液残留及装配手汗盐分加剧腐蚀进程，附着于基体表层腐蚀产物膨胀，形成镀层龟裂、剥落缺陷。

根据故障产生原因及故障机理分析结果，提出了电连接器的耐腐蚀及可靠性优化措施，具体如下：①完善滚花加工过程管控，消除直纹滚花槽内产生的夹杂物、碎屑等多余物；②优化镀镍表处工艺规范，增加碱浸蚀工序，使用放大镜检验确认滚花槽内无夹杂物及碎屑等；③电连接器包装前用酒精清洗并进行干燥处理，贮存过程中真空包装，减弱环境温度及湿度对耐腐蚀性能影响。